庙哈孤矿区浅埋煤层护巷煤柱合理宽度研究

耿耀强，陈　通，黄克军，乔懿麟

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

庙哈孤矿区浅埋煤层护巷煤柱合理宽度研究

耿耀强，陈通，黄克军，乔懿麟

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

摘要：针对庙哈孤矿区浅埋煤层护巷煤柱留设宽度的问题，以庙哈孤矿区安山煤矿5-2煤层护巷煤柱为研究对象，采用理论计算、工程类比、相似材料模拟等方法研究护巷煤柱宽度。结果表明：通过弹塑性极限平衡理论计算得出煤柱留设理论宽度为12 m，并对不同煤柱宽度进行了相似模拟研究，参考工程类比结果，确定了庙哈孤矿区安山煤矿护巷煤柱合理宽度为15 m，成果创造了较大的社会经济效益。

关键词：浅埋煤层；护巷煤柱宽度；庙哈孤矿区；相似材料模拟

护巷煤柱宽度对巷道围岩稳定性、资源采出率、经济效益等都有着十分显著的影响，确定煤柱宽度是巷道支护设计的重要部分[1-3]。为了实现高效开采，庙哈孤矿区回采巷道普遍采用双巷掘进和维护方式，相邻工作面回采巷道之间留设煤柱。在庙哈孤矿区浅埋煤层地质条件下，矿山压力及护巷煤柱合理宽度有其自身的特点[4-5]。针对庙哈孤矿区安山煤矿5-2煤层地质条件，采用理论计算、工程类比、相似材料模拟等方法，对庙哈孤矿区浅埋煤层护巷煤柱的合理宽度开展研究。

1地质及生产技术条件

安山煤矿为庙哈孤矿区建成的首个大型矿井，2002工作面为其二盘区首采工作面，开采煤层为5-2，煤层平均厚度2.14m，为近水平煤层，倾角0～3°，煤层底板平均标高1166m，最大埋深129m，最小埋深16m，工作面设计地质储量158.1万t，回采储量136.4万t，走向长度2012m，倾向长度270.5m。2002工作面地表植被稀疏，水土流失严重，基岩裸露较普遍，基岩以上为第四系黄土及新近系红土覆盖，个别区域土层含沙较大，地形破碎，沟壑纵横。目前，安山煤矿相邻工作面护巷煤柱宽度为20m。

顶板岩性大致稳定，伪顶约0.1～0.2m，炭质泥岩；直接顶为砂质泥岩，厚3～6m；基本顶为粗粒砂岩，直接顶与基本顶在工作面大部分区域比较稳定。煤层底板为砂质泥岩，较稳定，有遇水膨胀泥化特点。

2理论计算

煤体开挖形成煤柱以后，随着垂直应力不断向深处转移，支承压力逐渐增大，直至达到峰值，从煤柱应力峰值到煤柱边界这一区段，煤体应力已超过了屈服点，从煤柱边界至支撑压力峰值这个区域称为煤柱的屈服区(L1和L3) 。而屈服区之间煤体称为弹性核区(L2)[6-8]，如图1所示。

图1　煤柱屈服区及其弹性核区

应用弹塑性极限平衡理论求得2002工作面采空区一侧煤柱屈服区宽度L1，见式(1)。

(1)

由于采空区内的煤柱不需要加固，故其侧向约束力Px= 0 MPa，将各参数代入式(1)，经计算得2002面采空区一侧煤柱屈服区宽度L1=6.1m。

根据弹塑性理论可以求得2004面回风巷一侧煤柱屈服区宽度L3，见式(2)。

(2)

式中：r0为2002工作面辅运顺槽有效半径，取3m；Pi为巷道一侧支护阻力，取0.5 MPa，将上述各参数代入式(2)，计算可得L3=0.7m。

护巷煤柱保持稳定的前提是煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度应不小于煤层开采高度的2倍。则煤柱保持稳定状态的宽度一般表示为式(3)。

L=L1+2M+L3

(3)

将计算的L1、L3和采高M代入式(3)，计算得：L=11.4m。

因此，通过以上计算，为保持护巷煤柱稳定性，安山煤矿工作面间护巷煤柱的宽度基本确定为12m。

3工程类比

目前，安山煤矿相邻工作面护巷煤柱宽度为20m，而陕北其他浅埋煤层矿井留设尺寸也各不相同，红柳林煤矿、张家峁煤矿、柠条塔煤矿相邻工作面护巷煤柱留设宽度为19.5m左右(据西安科技大学为张家峁煤矿所做的煤柱优化结果为：4-2煤煤柱优化2m，5-2煤煤柱优化1m)，韩家湾煤矿相邻工作面护巷煤柱留设宽度为14m，神华上湾煤矿12201工作面护巷煤柱为25m，到12205工作面优化为18m。陕北地区部分矿井浅埋煤层护巷煤柱留设情况见表1。

采用工程类比法，现将部分煤矿工程地质条件进行对比，见表2。

表1　陕北地区部分矿井浅埋煤层护巷煤柱留设情况

通过工程类比可知，安山煤矿相对于陕北韩家湾煤矿、张家峁煤矿、上湾煤矿，具有主采煤层埋深相差不大、水文地质条件较为复杂、开采高度较小等特点，根据韩家湾煤矿护巷煤柱宽度14m情况较好，张家峁煤矿4-2煤也将优化为17m左右，上湾煤矿大采高工作面矿压较大情况下留设18m，为了最大限度地安全地回收优质煤炭资源，通过工程类比，建议安山煤矿合理的护巷煤柱宽度为15m。

4相似材料模拟

4.1模型设计

参考安山煤矿2002工作面ZK19-12号钻孔及安山煤矿地层综合柱状图，几何相似比为1∶50，选用5000mm×1670mm×300mm的模型架，模型开采单一煤层5-2煤层，依次从左、右向工作面护巷煤柱侧开次，每次开挖步距为2cm。考虑到模型边界效应的影响，模型左右两侧至少设置50cm的边界保护煤柱。待两侧煤柱开采完毕，覆岩移动变形稳定后，试采工作面护巷煤柱，直至煤柱完全破坏及其周围发生大变形。

表2　陕北地区部分煤矿工程地质条件对比

4.2煤柱试采阶段

依据实验方案，工作面间留设20m的护巷煤柱，待两侧工作面回采结束并稳定后，对两工作面间护巷煤柱进行试采，每隔0.5m开挖一次，并观察煤体及覆岩变形情况。

从右侧试采煤柱推进6m(留宽为14m)时，煤柱及表面无明显裂隙，见图2。

图2　煤柱及表面无明显裂隙

从右侧试采煤柱推进7m(留宽为13m)时，煤柱及表面开始发生片帮及微小破坏情况，煤柱上方地表发育下行竖直裂隙，并扩展至距离底板38.75m处；同时，煤柱底板也受压轻微破坏，见图3。

图3　煤柱底板破坏

从右侧试采煤柱推进9m(留宽为11m)时，煤柱体被压碎破坏，底板严重破坏，煤柱顶板基岩发生大范围垮落，见图4(a)，且模型背面上部覆岩发生滑落失稳，见图4(b)，煤柱上覆岩层整体下沉，地表出现明显弯曲下沉，见图4(c)。

4.3位移数据分析

右侧试采煤柱推进7m(留宽为13m)时，由于煤体开始发生片帮和微小破裂，煤柱体上方覆岩逐渐下沉，及煤柱上方地表发育下行竖直裂隙；则此时，自下而上的检测线A、B、C、D、E、F左侧最大下沉量分别为-2.47m、-2.23m、-2.02m、-1.77m、-1.15m、-0.86m；右侧最大下沉量分别为-2.47m、-2.23m、-1.94m、-1.82m、-1.56m、-1.05m，见图5。

右侧试采煤柱推进9m(留宽为11m)时，煤柱体被压碎破坏，底板严重破坏，煤柱顶板基岩发生大范围垮落，煤柱上覆岩层整体下沉，地表出现整体弯曲下沉；此时，左、右两工作面上方覆岩及地表最大下沉值趋于一致，则检测线A、B、C、D、E、F左侧最大下沉量分别为-2.47m、-2.27m、-1.98m、-1.84m、-1.60m、-1.17m，由于护巷煤柱碎涨系数较大，且残余煤柱的支撑，则其上方覆岩及地表最大下沉量小于两侧，分别为-2.25m、-2.0m、-1.75m、-1.55m、-1.35m、-1.0m，见图6。

图4　煤柱整体破坏

图5　煤柱回采7m(剩13m)时覆岩下沉曲线

图6　煤柱回采9m(剩11m)时覆岩下沉曲线

相似模拟分析结果表明：煤柱宽度为14m时，煤柱及表面无明显裂隙；煤柱宽度为13m时，煤柱及表面开始发生片帮及微小破坏情况，煤柱上方地表发育下行竖直裂隙，同时煤柱底板也受压轻微破坏；煤柱宽度为11m时，煤柱体被压碎破坏，底板严重破坏，煤柱顶板基岩发生大范围垮落，建议安山煤矿工作面护巷煤柱留设宽度为14m。

5护巷煤柱宽度确定

5.1护巷煤柱宽度确定

运用弹塑性极限平衡理论计算法理论确定安山煤矿合理的护巷煤柱宽度为12m，工程类比法确定安山煤矿合理的护巷煤柱宽度为15m；相似模拟分析结果确定安山煤矿相邻工作面护巷煤柱留设合理宽度为14m。可以看出三种不同方法得出的护巷煤柱宽度范围为12～15m，其中基于弹塑性极限平衡理论得出的护巷煤柱宽度最小，工程类比法得出的护巷煤柱宽度最大，这是由于应用弹塑性极限平衡理论计算的煤柱宽度是受一次采动影响，相似模拟研究的护巷煤柱宽度是受二次采动影响，而工程类比法是类比相似条件矿井的煤柱宽度，各矿在实施过程中从安全的角度出发均给予一定的安全系数。综合以上研究结果确定庙哈孤矿区安山煤矿浅埋煤层相邻工作面护巷煤柱留设宽度为15 m。

5.2经济效益分析

通过研究，认为安山煤矿相邻工作面护巷煤柱在现有的支护基础上合理宽度为15m，对比原护巷煤柱留设宽度20m，每个工作面护巷煤柱宽度优化5m，节约了宝贵的煤炭资源。

以安山煤矿2008工作面为例，2008工作面走向长度3086m，则增加煤炭资源3086×5×2.3×1.4=49684.6 t，可增加产值993.7万元(按原煤200元/t计算)。安山煤矿后续仍可布置数十个工作面，可增加产值上亿元，产生了巨大的经济效益。

6结论

1)运用弹塑性极限平衡理论计算法计算得出安山煤矿合理的护巷煤柱宽度为12m。

2)采用工程类比法，对比陕北地区浅埋煤层的韩家湾煤矿、张家峁煤矿、上湾煤矿等，确定安山煤矿合理的护巷煤柱宽度为15m。

3)煤柱宽度为14m时，煤柱及表面无明显裂隙；煤柱宽度为13m时，煤柱及表面开始发生片帮及微小破坏情况，煤柱上方地表发育下行竖直裂隙，同时煤柱底板也受压轻微破坏；煤柱宽度为11m时，煤柱体被压碎破坏，底板严重破坏，煤柱顶板基岩发生大范围垮落。相似材料模拟确定安山煤矿相邻工作面护巷煤柱留设宽度为14m。

4)综合研究成果确定庙哈孤矿区安山煤矿相邻工作面护巷煤柱宽度为15m。

5)研究成果创造了较大的社会效益、技术效益及经济效益，平均一个工作面面优化煤柱后可减少5万t煤炭资源的损失，可增加产值993.7万元。

参考文献

[1]蒋力帅，刘洪涛，连小勇，等.浅埋中厚煤层护巷煤柱合理宽度研究[J].煤矿开采，2012，17(4)：105-108.

[2]屠世浩，白庆升，屠洪盛.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化[J].采矿与安全工程学报，2011，28(4)：505-510．

[3]崔廷锋，张魁，徐新斌.大采高工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度研究[J].中国矿业，2012，21(5)：88-90．

[4]李晓龙，丁效雷，姚强岭，等.浅埋缓斜煤层回采巷道合理煤柱宽度设计[J]． 中国煤炭，2009，35(3)：44 -47．

[5]屠世浩，白庆升，屠洪盛.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化[J].采矿与安全工程学报，2011，21(5)：88 - 90．

[6]陈小绳.大采高大跨度工作面护巷煤柱留设宽度合理性分析[J].煤矿安全，2014，45(1)：47-50.

[7]徐新斌，崔廷锋，杨志远，等.近浅埋煤层大采高工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度研究[J].煤矿安全，2012，43(12)：61-64.

[8]张世青，赵健健，张春雷，等.浅埋薄基岩煤层护巷煤柱优化机理研究及方案确定[J].煤炭工程，2014，46(6)：4-6.

Research into rational width of chain coal-pillar of shallow coal seam in Miaohagu mining area

GENG Yao-qiang，CHEN Tong，HUANG Ke-jun，QIAO Yi-lin

(Shaanxi Coal & Chemical Technology Institute Co.，Ltd.，Xi’An 710065，China)

Abstract:For studying the problem of rational width of chain coal-pillar of Shallow Coal Seam in Miaohagu mining area，taking the chain coal-pillar of 5-2 coal seam in Anshan Mine of Miaohagu mining area as research object，this paper studied the width of chain coal-pillar using the methods of theoretical analyses，engineering analogy and similar material simulation.The results of this study showed：coal-pillar setting width was 12 m through plastic limit equilibrium theory.Different coal pillar widths were simulated，it was comprehensively determined that coal-pillar setting width is 15 m through referred result of engineering analogy.The research results create great social and economic benefits.

Key words：shallow coal seam；chain coal-pillar width；Miaohagu mining area；similar material simulation

收稿日期：2015-07-15

作者简介：耿耀强(1987-)，男，蒙古族，内蒙古赤峰人，2012年毕业于中国矿业大学采矿工程，硕士研究生，现在陕西煤业化工技术研究院有限责任公司主要从事采矿技术研究工作。E-mail：gengyq@sxccti.com。

中图分类号：TD822.3

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0097-04